Penerapan transduser keramik piezoelektrik

Keramik piezoelektrik telah banyak digunakan karena sifat piezoelektriknya dan keragaman sifat elektromekanisnya. Aplikasi ini secara umum dapat dibagi menjadi dua kategori besar, yaitu sebagai vibrator piezoelektrik. Ketika digunakan sebagai vibrator piezoelektrik, bahan keramik piezoelektrik harus memiliki stabilitas suhu frekuensi yang baik dan faktor kualitas mekanik Q yang tinggi (Q menunjukkan tingkat konsumsi energi internal bahan selama konversi getaran); itu diperlukan untuk digunakan sebagai transduser. Faktor kopling mekanik K yang tinggi (konversi mekanis menjadi energi listrik / masukan energi mekanik, energi listrik menjadi energi mekanik / masukan energi listrik) dan konstanta dielektrik relatif besar, penerapan keramik piezoelektrik diberikan di bawah ini.

I. Ikhtisar
Keramik piezoelektrik adalah film polikristalin dengan efek piezoelektrik, dan proses produksinya dinamai berdasarkan proses produksi serupa (penghancuran bahan mentah, pencetakan, sintering suhu tinggi). Beberapa kristal anisotropik mengalami deformasi akibat gaya mekanis, menyebabkan partikel bermuatan relatif tergeser, menghasilkan muatan terikat positif dan negatif pada permukaan kristal. Fenomena ini disebut efek piezoelektrik. Sifat kristal ini disebut piezoelektrik. Keramik piezoelektrik ditemukan pada tahun 1880 oleh J. Curie dan P. Curie bersaudara. Beberapa bulan kemudian mereka secara eksperimental memverifikasi efek piezoelektrik terbalik, yaitu ketika tegangan diterapkan pada kristal piezo, kristal piezo akan mengalami deformasi geometris. Sebelum tahun 1940, hanya dua jenis feroelektrik yang diketahui (tidak hanya terpolarisasi secara spontan dalam kisaran suhu tertentu, tetapi juga polarisasi spontan kristal yang dapat diorientasikan kembali karena kekuatan medan eksternal): yang pertama adalah kalium dihidrogen fosfat dan setaranya. Yang pertama mempunyai sifat piezoelektrik pada suhu normal, dan memiliki nilai kegunaan teknis, namun memiliki kelemahan yaitu mudah larut; yang terakhir memiliki keramik piezoelektrik pada suhu rendah (kurang dari -14 C), dan nilai kegunaan tekniknya tidak besar. Barium titanat (BaTiO) ditemukan memiliki konstanta dielektrik tinggi yang tidak normal. Bahan ini segera ditemukan sebagai bahan piezoelektrik, dan penemuan keramik piezoelektrik BaTi O merupakan lompatan kuantum untuk bahan piezoelektrik. Sebelumnya hanya ada bahan kristal piezoelektrik, kemudian muncul bahan polikristalin piezoelektrik, keramik piezoelektrik, dan banyak digunakan. Pada tahun 1947, Amerika Serikat menggunakan keramik BaTiO untuk membuat pickup fonograf. Jepang menggunakannya dua tahun. Bahan BaTiO memiliki kelemahan yaitu sifat piezoelektriknya lebih lemah dibandingkan garam istirahat dan sifat piezoelektriknya lebih besar dibandingkan kristal kuarsa terhadap suhu. Pada tahun 1954, B. Jaffe dan yang lainnya menemukan sistem larutan padat piezoelektrik PbZrO-PbTiO (PZT), yang merupakan peristiwa penting yang membuat pembuatan perangkat di BaTiO menjadi mustahil. Sejak itu, keramik piezoelektrik transparan PZT telah dikembangkan untuk memperluas penerapan keramik piezoelektrik pada bidang optik. Selama ini penerapan keramik piezoelektrik, mulai dari perkembangan alam semesta hingga kehidupan keluarga, sangatlah luas. Penelitian Tiongkok terhadap keramik piezoelektrik dimulai pada akhir 1950-an, sekitar 10 tahun lebih lambat dibandingkan penelitian di luar negeri. Saat ini, terdapat kekuatan yang cukup kuat dalam produksi percobaan dan produksi industri keramik piezoelektrik. Banyak materi yang telah mencapai atau mendekati tingkat internasional.

Mekanisme Fisik Piezoelektrik Piezokeramik
Keramik piezoelektrik adalah polikristal yang sifat piezoelektriknya sensor cakram piezo dapat dijelaskan dengan sifat piezoelektrik kristal piezo. Di bawah pengaruh gaya mekanik, momen dipol listrik total (polarisasi) berubah, menghasilkan fenomena piezoelektrik. Piezoelektrik erat kaitannya dengan polarisasi, deformasi, dan sejenisnya.

Mekanisme polarisasi mikroskopis

Keadaan polarisasi adalah keadaan di mana medan listrik memberikan gaya perpindahan relatif pada titik bermuatan dielektrik dan keseimbangan sementara saling tarik-menarik antar muatan. Ada tiga mekanisme polarisasi utama.

(1) Polarisasi perpindahan elektron—Atom atau ion dielektrik tidak berimpit dengan pusat muatan negatif inti bermuatan positif dan elektron kulit akibat pengaruh gaya medan listrik.

(2) Polarisasi perpindahan ion—ion positif dan negatif dielektrik dipindahkan secara relatif di bawah aksi gaya medan listrik, sehingga menghasilkan momen dipol listrik.

(3) Polarisasi orientasi—molekul polar yang membentuk dielektrik memiliki momen listrik intrinsik (inheren) tertentu. Akibat gerak termal, orientasinya tidak teratur, momen listrik totalnya nol. Ketika medan listrik diterapkan, momen dipol listrik. Arah medan listrik sejajar dan momen dipol listrik makroskopis muncul. Untuk kristal anisotropik, polarisasi berhubungan dengan adanya medan listrik.

2. Efek piezoelektrik

(1) Efek piezoelektrik positif
Ketika kristal piezoelektrik dideformasi oleh gaya eksternal, pusat muatan positif dan negatif relatif berpindah, dan muatan berlawanan dihasilkan pada beberapa permukaan yang bersesuaian, dan terjadi intensitas polarisasi. Fenomena tidak adanya medan listrik dan polarisasi akibat deformasi disebut efek piezoelektrik positif.

Untuk kristal anisotropik, tekanan diterapkan pada kristal; (regangan yang sesuai), kristal akan memiliki polarisasi proporsional dalam tiga arah X, Y, dan Z, yang masing-masing disebut konstanta tegangan piezoelektrik dan konstanta regangan piezoelektrik.

(2) Efek piezoelektrik terbalik
Ketika medan listrik diterapkan pada kristal, tidak hanya polarisasi tetapi juga deformasi yang dihasilkan, dan fenomena deformasi oleh medan listrik ini disebut efek piezoelektrik terbalik. Hal ini karena ketika kristal terkena medan listrik, tegangan (tegangan piezoelektrik) dihasilkan di dalam kristal, dan regangan piezoelektrik dihasilkan oleh tegangan.

3. Mekanisme efek tekanan
Efek piezoelektrik pertama kali ditemukan pada kristal piezo. Sekarang kita menggunakan kristal piezo sebagai model untuk menggambarkan mekanisme fisik efek piezoelektrik.
Ketika tidak ada tekanan yang diberikan, pusat muatan positif dan negatif kristal didistribusikan. Pada saat ini, pusat muatan positif dan negatif bertepatan, dan momen listrik total kristal sama dengan nol, dan permukaan kristal tidak bermuatan (bukan piezoelektrik).

Penerapan keramik piezoelektrik

Penyala keramik piezoelektrik
Ini adalah perangkat yang mengubah gaya mekanis menjadi percikan listrik untuk menyalakan pembakaran, dan merupakan transduser elektromekanis. Pada tahun 1958, efek piezoelektrik keramik barium titanat (BaTiO) digunakan untuk penyalaan. Namun material PZT memiliki laju penyalaan yang rendah dan kebisingan yang tinggi. Pada tahun 1962, uji coba keramik piezoelektrik timbal zirkonat titanat (PZT) digunakan untuk membuat penyala. Penyala banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari, produksi industri, dan aplikasi militer untuk menyalakan gas dan berbagai jenis bahan peledak dan roket.

(1) Prinsip dasar

Pembangkitan tegangan tinggi —— Mengambil contoh komponen keramik piezoelektrik silinder, ketika gaya mekanik F bekerja pada silinder, kristal piezo terdistorsi, menyebabkan pusat muatan positif dan negatif dalam kristal bergeser, sehingga sejumlah besar muatan terakumulasi pada permukaan atas dan bawah silinder dan a 

(2) keluaran tegangan tinggi.

(3) struktur penyala dan prinsip kerja

2. Trafo piezoelektrik
Sejak tahun 1950an, trafo piezoelektrik telah dikembangkan. Saat itu, barium titanat digunakan sebagai bahan utama. Peningkatannya relatif rendah (hanya 50-60 kali). Tegangan keluarannya sekitar 3000 volt. Dengan munculnya bahan keramik piezoelektrik timbal zirkonat titanat, rasio peningkatan telah ditingkatkan menjadi 300-500 kali lipat, dan secara bertahap diterapkan pada televisi, mesin fotokopi elektrostatis, dan generator ion negatif sebagai catu daya tegangan tinggi.

(1) Prinsip dasar
Masukan energi getaran listrik pada lembaran keramik piezoelektrik diubah menjadi energi getaran mekanis melalui efek piezoelektrik terbalik, kemudian diubah menjadi energi listrik melalui efek piezoelektrik positif. Konversi impedansi (dari impedansi rendah ke impedansi tinggi) dicapai dalam dua konversi energi ini untuk mencapai keluaran tegangan tinggi pada frekuensi resonansi chip keramik piezo. Prinsip transformasi dijelaskan dengan mengambil contoh transformator getaran regangan horizontal dan vertikal.

Keseluruhan potongan keramik piezo dibagi menjadi dua bagian, bagian kiri adalah ujung masukan (disebut juga bagian penggerak), sisi atas dan bawah terdapat elektroda perak yang diinfiltrasi, yang terpolarisasi sesuai arah ketebalan, dan bagian kanan adalah ujung keluaran (disebut juga bagian pembangkit listrik), dan ujung kanan. Terdapat elektroda perak yang disusupkan pada permukaan. Terpolarisasi sepanjang. Ketika terminal masukan diberi tegangan bolak-balik, karena efek piezoelektrik terbalik, lembaran keramik piezo menghasilkan getaran regangan sepanjang arah, yang mengubah energi listrik masukan menjadi energi mekanik; dan bagian pembangkit listrik mengubah energi mekanik menjadi energi listrik melalui efek piezoelektrik positif. Dimana faktor mutu mekanik bahan; - koefisien kopling elektromekanis memanjang dan melintang dari material; panjang L - bagian pembangkit listrik; T - ketebalan transformator.

(2) Penerapan trafo piezoelektrik
Trafo piezoelektrik terutama digunakan dalam kasus konversi tegangan tinggi, daya rendah dan gelombang sinus, dan memiliki keunggulan unik berupa tegangan keluaran tinggi, ringan, volume kecil, tidak ada kebocoran medan magnet, tidak ada pembakaran. Untuk memperoleh keluaran tegangan ganda, sesuai dengan tegangan keluaran trafo horizontal-vertikal sebanding dengan panjangnya, semakin dekat ke ujung bagian pembangkit listrik maka semakin tinggi tegangannya, kita dapat menjadikan elektroda sebagai tap pada posisi yang berbeda dari bagian pembangkit listrik, sehingga diperoleh tegangan keluaran yang berbeda. .

4. Pickup dan speaker keramik piezoelektrik

(1) vibrator tipe diafragma ganda

Prinsip kerja vibrator tipe diafragma ganda diberikan. Ketika keramik piezoelektrik dengan ketebalan tertentu dibengkokkan di bawah gaya, keramik tersebut memanjang di satu sisi ketebalan dan dikompresi di sisi lainnya, dan muatan dihasilkan di dalam lembaran keramik piezo. Namun karena seluruh diafragma mempunyai arah polarisasi yang sama, maka sisi atas memanjang, dan sisi bawah memampatkan, sehingga momen dipol listrik berlawanan, dan simbol muatan sisi atas dan bawah sama, sehingga tidak ada perbedaan potensial, seperti beralih ke dua struktur diafragma ganda yang tumpang tindih, ketika dikenai gaya pembengkokan, keluaran tegangan dapat diperoleh. Dua buah diafragma dengan arah polarisasi berlawanan dihubungkan secara seri, dan ketika gaya diterapkan, bagian atas memanjang dan bagian bawah dikompresi. Karena arah polarisasi berlawanan, sisi atas dan bawah diafragma ganda diberi tanda yang berlawanan, dan keluaran tegangan dapat diperoleh. Kedua diafragma dengan arah polarisasi yang sama dihubungkan secara paralel membentuk tegangan keluaran.

(2) Struktur pengambilan keramik piezoelektrik dan prinsip kerja

(3) Struktur speaker keramik piezoelektrik dan prinsip kerja
Speaker keramik piezoelektrik adalah perangkat elektroakustik yang sederhana dan ringan, yang memiliki keunggulan sensitivitas tinggi, tidak ada hamburan medan magnet, tidak ada kawat tembaga dan magnet, biaya rendah, konsumsi daya rendah, perbaikan mudah dan produksi massal.

Sistem penggeraknya adalah a Elemen piezoelektrik bahan PZT diafragma ganda, sistem getarannya adalah kerucut kertas, dan komponen kopling mentransmisikan energi dari sistem penggerak ke sistem getaran secara efisien. Selama pengoperasian, energi listrik yang diterapkan pada diafragma ganda keramik piezoelektrik diubah menjadi energi mekanik, yang disalurkan ke kerucut kertas melalui elemen kopling untuk bergetar dan berbunyi. Diafragma ganda piezoelektrik memiliki impedansi lebih tinggi dan merupakan penggerak tegangan. Hubungan antara gaya F dan tegangan V adalah F=KV, K adalah koefisien proporsional, dan impedansi mekanik getaran termasuk impedansi radiasi adalah Z, dan kecepatan getaran adalah
V=F/Z.
Tekanan suara P di pusat r film getaran tinggi dapat diperoleh.

Selain itu, konverter energi elektro-akustik lainnya seperti pemancar, penerima, bel, dll. dapat dibuat sesuai dengan efek piezoelektrik dari keramik piezoelektrik.

(4) Kipas dan relai keramik piezoelektrik
Keramik piezoelektrik dapat dibuat menjadi kipas keramik piezoelektrik kecil, yang memiliki keunggulan volume kecil, tidak menghasilkan panas, tidak bersenandung, konsumsi daya rendah, dan umur panjang. Ini adalah deformasi tekuk keramik piezoelektrik, yang terdiri dari dua lembaran keramik piezoelektrik yang diapit oleh foil logam, dan lembaran keramik piezo menghasilkan gerakan teleskopik di bawah aksi medan listrik eksternal. Jika dua lembaran keramik piezo diaplikasikan dengan tegangan balik, sisi lainnya berkontraksi untuk meregang, dan lembaran logam tersebut bengkok dan berubah bentuk. Jika tegangan bolak-balik diterapkan, lembaran logam akan bergetar secara berkala.